La superconductividad se refiere al fenómeno de que cuando la temperatura desciende hasta una determinada temperatura, la resistencia de algunos objetos se acerca repentinamente a cero. Los materiales con esta propiedad se denominan materiales superconductores.
La temperatura a la que un superconductor cambia de un estado normal a un estado superconductor se denomina temperatura de transición (o temperatura crítica) de esta sustancia. Porque esta temperatura es muy baja, cercana al cero absoluto. Hasta el momento, no se utiliza mucho. Pero los científicos están estudiando la superconductividad a altas temperaturas. Si la investigación tiene éxito, este material no consumirá electricidad ni generará calor al conducir electricidad. ¡Esto ahorra energía!
En 1911, el físico holandés Onnes descubrió que la resistencia del mercurio caía repentinamente a cero alrededor de 4,2 k. Llamó a este fenómeno superconductividad de resistencia cero. La Figura 5-13 muestra la relación entre la resistencia del mercurio y la temperatura.
La temperatura a la que la resistencia del mercurio desaparece repentinamente se denomina temperatura de transición o temperatura crítica, a menudo expresada como Tc.
Los objetos que tienen superconductividad a una determinada temperatura se llaman superconductores. El mercurio metálico es un superconductor. Investigaciones adicionales muestran que 26 metales de la tabla periódica de elementos son superconductores y sus temperaturas de transición Tc se enumeran en la tabla 5-6. Como puede verse en la tabla, la temperatura de transición superconductora de un solo metal es muy baja y no tiene valor de aplicación. Por lo tanto, la gente poco a poco se dedica a estudiar la superconductividad de las aleaciones metálicas. La Tabla 5-7 enumera las temperaturas de transición de algunas aleaciones superconductoras. La temperatura de transición de Nb3Ge es 23,2 K, que se consideraba el superconductor con la temperatura de transición más alta en la década de 1970. Cuando la superconductividad muestra que los materiales conductores sólo pueden entrar en estado superconductor a temperaturas extremadamente bajas, sin el apoyo del desarrollo de tecnología de baja temperatura, la superconductividad no se puede descubrir y los materiales superconductores son inimaginables. Una vez más se puede ver la relación entre el desarrollo material y la tecnología.
Los materiales superconductores de baja temperatura sólo pueden ser superconductores cuando se utiliza helio líquido como refrigerante, por lo que sus aplicaciones son muy limitadas. La gente está ansiosa por encontrar superconductores de alta temperatura. Después de décadas a la deriva, finalmente lograron un gran avance en 1986. Bednorz y Müller en Suiza descubrieron que su óxido metálico mixto La-Ba-CuO es superconductor con una temperatura de transición de 35 K. Este es un gran avance en la investigación de materiales superconductores y abre la dirección de investigación de superconductores de óxidos metálicos mixtos. Más tarde, científicos chinos y estadounidenses descubrieron que el óxido metálico mixto Y-Ba-CuO es superconductor a 90 K, y la temperatura de transición de este óxido superconductor ya es más alta que la del nitrógeno líquido (77 K). La investigación sobre materiales superconductores de alta temperatura ha logrado grandes avances. . progreso. Una serie de descubrimientos apasionantes han desencadenado la "súper conducción de calor" en todo el mundo. En la actualidad, constantemente surgen nuevas series de óxidos superconductores, como Bi-Ca-CuO, Tl-Ba-Ca-CuO, etc., cuya temperatura de transición superconductora supera los 120 K K. La investigación sobre superconductores de alta temperatura está en auge. y la gente espera ansiosamente que aparezca el desarrollo de materiales superconductores a temperatura ambiente.
Se descubrió que el C60 reacciona con metales alcalinos para formar AxC60 (A representa potasio, rubidio, cesio, etc.), que son todos superconductores. Las temperaturas de transición superconductoras se enumeran en la Tabla 5-8. De los datos de la tabla se puede ver que la temperatura de transición de la mayoría de los superconductores AxC60 es mayor que la de los superconductores de aleaciones metálicas. Los superconductores de óxido metálico son superconductores inorgánicos con una estructura en capas y son superconductores bidimensionales. AxC60 es un superconductor orgánico con estructura esférica y es un superconductor tridimensional. Por tanto, los superconductores como el AxC60 son materiales superconductores prometedores.
La investigación sobre superconductores ha llamado la atención de varios países. Una vez que los superconductores a temperatura ambiente sean prácticos e industrializados, tendrán un profundo impacto en la ciencia y la tecnología de la sociedad civilizada moderna. A continuación se muestra una breve introducción a algunas aplicaciones de los superconductores.
(1) Las centrales eléctricas que utilizan materiales superconductores transmiten energía a los usuarios a través de largas líneas de transmisión. Debido a la resistencia del cable, cuando la corriente pasa a través de la línea de transmisión, se consume una parte de la energía eléctrica.
Si para la transmisión se utilizan cables superconductores fabricados con materiales superconductores, la pérdida en la línea de transmisión se reducirá a cero.
(2) Generador superconductor Los componentes clave para fabricar generadores de gran capacidad son bobinas e imanes. Debido a la resistencia del cable, la bobina se calienta seriamente y cómo enfriar la bobina se convierte en un problema. Si el generador superconductor usa materiales superconductores y la bobina usa materiales superconductores no resistivos, no generará calor en absoluto, el problema de enfriamiento se resolverá y la pérdida de energía se podrá reducir en un 50%.
(3) ¿El tren de alta velocidad maglev necesita alcanzar una velocidad de 500 km/h? H-1, los trenes regulares están prohibidos. Si se instalan imanes superconductores en el tren y se colocan anillos de aluminio en la vía del suelo, el movimiento relativo entre ellos generará una corriente inducida en los anillos de aluminio, generando así una repulsión magnética, que elevará el tren unos 10 cm del suelo, haciendo el tren flota en el suelo. Movimiento de alta velocidad.
Durante la fusión termonuclear controlada se libera una gran cantidad de energía. Para que la reacción de fusión nuclear continúe, el plasma debe estar confinado a 108°C, lo que requiere un fuerte campo magnético, y los imanes superconductores pueden generar el campo magnético necesario para confinar el plasma. Sólo dominando la tecnología superconductora podrán los humanos hacer realidad la fusión termonuclear controlable y proporcionarles energía infinita.